大功率激光器巴條熱特性研究

孟慶輝，馮士維，賈 京，張亞民，喬彥彬，岳 元

(北京工業(yè)大學電子信息與控制工程學院，北京100124)

1 引言

隨著半導體激光器技術日趨成熟，大功率半導體激光器在固體激光器泵浦、材料加工、醫(yī)療、光信息處理、軍事領域等有著廣泛的應用［1］。大功率半導體激光器的功率密度的不斷增加，導致功耗不斷增加，工作結溫不斷升高［2］，也將影響器件的其他性能參數(shù)［3］。大功率激光器結溫過高，將影響其閾值電流密度、輸出光功率、激光光譜等電學特性［4］。溫度變化引起的光學和電學參數(shù)變化成為影響器件可靠性的重要因素［5］。根據(jù)Arrhenius方程，器件的退化功率隨溫度的升高成e指數(shù)規(guī)律變化，影響著器件的使用壽命［6］。

M A Lapointe等人［7］研究了不同襯底對半導體激光器熱阻的影響，W.J.Hwang等人［8］研究了封裝對半導體激光器熱阻的影響，通常測量半導體激光器熱阻的方法有物理接觸法［9］、光學法［10］、電學法［11］。物理接觸法是通過溫度傳感器與被測器件接觸來測量器件的表面溫度，不適合測量芯片有源區(qū)的溫升。光學法是利用發(fā)射光譜隨結溫移動特性測量器件的熱阻，操作過程比較復雜，影響測量的精度。電學法是利用PN結的溫敏特性進行器件芯片工作溫升的測量，不破壞芯片的封裝結構，操作簡單快捷。測量大功率激光器巴條的工作溫升有一定的優(yōu)勢。

本文在設計的大功率激光器熱阻測試系統(tǒng)的基礎上，實現(xiàn)了對大功率激光器巴條的穩(wěn)態(tài)溫升測量，并結合結構函數(shù)方法分析出激光器巴條熱量傳遞路徑上的各層結構熱阻，并將測量結果與紅外熱成像結果進行了比較，除此之外，通過測量激光器巴條的熱阻和溫升實現(xiàn)其光功率測量。

2 熱阻測量原理及光轉換效率的計算

2.1 熱阻測量原理

基于小電流下正向PN結結電壓隨溫度線性變化關系，以及通過測量的器件有源區(qū)穩(wěn)態(tài)溫升過程獲取器件熱阻是目前廣泛采用的測量方法。較之其他方法，其具有在信號采集、處理上的便捷性。此外，結合結構函數(shù)方法［12］，通過對穩(wěn)態(tài)溫升曲線進行處理能有效提取熱傳輸路徑上的熱阻構成。

此方法測量器件工作溫升主要包括兩個步驟:校準過程和測量過程。校準過程主要是測量器件有源區(qū)溫度與PN結結電壓變化的線性關系，獲取校準曲線，即溫度系數(shù)k。具體步驟包括:①將激光器巴條置于溫度恒定的恒溫平臺上，在其正－負電極之間施加20 mA恒定的小電流，測量激光器巴條正－負極之間的電壓;②改變恒溫平臺溫度，重復步驟①分別在不同溫度下測量激光器巴條結電壓，測量結果如圖1所示。

圖1 大功率激光器巴條結電壓與溫度的關系圖Fig.1 The relationship between the high power laser bar junction voltage and the temperature

從圖1可以看出，小電流下(20 mA)，激光器巴條的結電壓變化與溫度變化呈線性關系。結電壓變化與溫度變化的比值即為溫度系數(shù)k。

測量過程主要是采集激光器巴條加熱到熱穩(wěn)態(tài)以后，切斷功率，采集恒定小電流下器件冷卻過程中正向PN結結電壓變化，時序圖及熱阻測量系統(tǒng)原理圖如圖2所示。具體步驟包括:①通過施加大電流，使大功率激光器巴條加熱到熱穩(wěn)態(tài);②切斷大電流，同時給激光器巴條施加恒定的正向小電流(20 mA)，采集其結電壓，此過程采樣時間分辨率為1μs;③根據(jù)采集到的結電壓變化以及溫度系數(shù)，利用公式ΔT=ΔV/k，即可得到器件溫度隨時間的變化，即冷卻響應曲線。結合器件冷卻過程和加熱過程的互補關系，即可得到器件穩(wěn)態(tài)溫升曲線。利用結構函數(shù)方法對穩(wěn)態(tài)溫升曲線進行處理，提取熱流方向上各層材料對器件溫升的貢獻。最后通過有效熱阻計算公式(R=△T/Pth)可以得到熱流路徑上各層材料熱阻。

圖2 熱阻測量系統(tǒng)時序圖Fig.2 The sequencechart of the thermal resistance measurement system

本方法測量誤差主要來源于器件加熱狀態(tài)到結電壓采集狀態(tài)的切換過程。本文通過快速開關技術，在20 A的條件下，將大功率激光器巴條切換到小電流狀態(tài)的開關速度優(yōu)化至20μs以下，具有更高的測量精度。

2.2 光轉換效率的計算

由于發(fā)光器件中，耗散熱功率與發(fā)光效率之間存在明確的關系，可以通過熱阻測量獲取激光器光功率。器件施加電流小于閾值電流，其穩(wěn)態(tài)熱阻基本不變［13］，發(fā)光功率忽略不計。此時器件施加的總功率Ptot等于器件的熱耗散功率Pth。因此，利用這一關系首先測量出激光器未激射時的熱阻Rth0，即器件的實際熱阻。其次，測量器件在不同工作電流下(電流大于閾值電流)的熱阻Rth，此時所用的總功率Ptot包括了光功率Pop和熱耗散功率Pth。

根據(jù)測量到的熱阻，可以得到在不同工作電流下(電流大于閾值電流)器件激射后發(fā)熱導致的溫升，根據(jù)熱阻定義式，可以計算出其不同工作電流時的耗散功率Pth:

Ptot是施加在激光器上的總電功率，激光器的發(fā)光功率Pop為:

3 測量結果與分析

3.1 熱阻測量及紅外熱成像測量結果比較

如圖3(a)所示，激光器巴條的熱傳輸路徑上的結構層依次為芯片、焊料、熱沉，所設置的工作條件為工作電流3 A，測試電流20 mA，加熱時間300 s，采集時間1000 s，恒溫平臺溫度為20℃，因為各層材料的導阻和熱容量不同，從而使得熱量傳導至各層材料的時間不同，因此，所得到的溫度響應曲線對應的傳輸路徑會有相應的階梯。利用結構函數(shù)法可以得到大功率激光器巴條的結構熱阻曲線［14］如圖3(b)所示。

圖3 大功率激光器的溫升及熱阻結構圖Fig.3 The temperature rise and differential thermal resistance of high power laser

通過用紅外熱像儀對測量結果進行驗證，利用紅外熱像儀(FLR SC5700)監(jiān)控激光器腔面溫度變化，熱像儀工作在2.1～5.5 m波段，溫度分辨率20 mK，空間分辨率為5 m，工作頻率為25 Hz。考慮到紅外設備的鏡頭和散熱器等原因，在這里施加3 A的電流進行測試，紅外熱成像法采集到的溫升圖像如圖4所示。

圖4 紅外熱像儀采集到的大功率激光器巴條的腔面溫度Fig.4 High power laser cavity surface temperature of thermal infrared imager

由圖3和圖4可知電學方法測量結果明顯高于紅外熱成像法測量結果。紅外熱成像法采集到的激光器巴條的溫升是48.5℃。采用相同的時間起點，電學法采集到的溫升是52.5℃。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因兩個:一方面，紅外熱成像法測量的是器件的表面溫度，比器件結溫要低;另一方面，紅外的分辨率一般為5μm左右，其測量溫度測量區(qū)域的平均值，對于深亞微米有源區(qū)器件，其測量值比實際值偏低。提取紅外成像溫度隨時間的變化，并作歸一化處理，與電學法測量的溫度進行比較，如圖5所示，兩種測試方法激光器巴條達到穩(wěn)態(tài)的時間相同。

圖5 紅外法和電學法測量的溫度數(shù)據(jù)歸一化圖Fig.5 Temperature normalization of Infrared measurement and electric method

3.2 基于電學法測量半導體激光器巴條的光轉換效率

在測試前將大功率激光器放在溫度為25℃的恒溫平臺上，為保證更好的散熱條件，激光器與恒溫平臺之間施加了25 N壓力，以保證激光器的充分散熱及與恒溫平臺的等溫條件。熱阻是半導體器件的一個基本參數(shù)，對于已經(jīng)封裝好的激光器巴條來說，其標準熱阻保持不變，當工作電流高于閾值電流時激光器巴條開始激射，一部分電功率轉化為光功率，因此我們測試低于閾值電流時的熱阻就是器件的標準熱阻，施加不同電流的大功率激光器巴條的熱阻測量結果如圖6所示。

圖6 不同電流密度下激光器巴條的結構熱阻圖Fig.6 The structure function thermal resistance of high power thermal resistance under different current density

從圖6可以看出，施加電流小于閾值電流情況下電流為2 A，激光巴條標準熱阻值為2.33℃/W。測量電流大于閾值電流的情況下5 A、10 A、15 A時穩(wěn)態(tài)熱阻值分別為2.25℃/W、1.95℃/W、1.85℃/W。工作電流大于閾值電流時，穩(wěn)態(tài)熱阻隨著工作電流增大而減小。我們認為激光巴條隨著電流密度的增大，光轉換效率增大是產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因。通過測量施加不同工作電流的大功率激光器巴條的瞬態(tài)熱阻，結合公式(1)、(2)、(3)分析出其產(chǎn)生激光的過程中內(nèi)部芯片熱特性和發(fā)光情況。

大功率激光器巴條在2 A、5 A、10 A、15 A的電功率分別為2.96 W、8 W、17.6 W、28.7 W。通過公式(1)式和(2)可以計算出5 A、10 A、15 A情況下的光功率分別為0.27 W、2.87 W、5.91 W，我們用光功率除以器件施加的總功率可以得到所對應的光轉換效率分別為3.4%、16.3%、20.6%。隨著施加功率增加，大功率激光器的熱阻不斷減小，而其光轉換效率不斷增大。

為了驗證上述實驗結果，用大功率半導體激光器參數(shù)測試儀測量(LG07SS－3)對不同電流密度下的光功率和光轉換效率進行了測量。電學法測量的大功率激光器巴條的光轉換效率與半導體激光器參數(shù)測試儀的數(shù)據(jù)對比如圖7所示。

圖7 光轉化效率對比圖Fig.7 Light conversion efficiency comparison chart

測試結果表明:大功率激光器巴條的光轉換效率隨著電流密度的增加而增大，與電學法測量的半導體激光器巴條熱阻的結果基本一致。值得注意的是，通過溫度測量得到的光轉換效率比實際測量值稍高，并且隨著功率的增大，差值逐漸增大。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是，由于溫度測量過程中存在一個從工作狀態(tài)到測量狀態(tài)的轉換過程，本試驗中為10μs左右，使得測量的溝道溫升小于實際值，從而計算得到的耗散功率比實際耗散功率小，因此得到的發(fā)光功率大于實際值。因此，我們認為通過電學法測量器件溫度可以有效測量出激光器的光轉換效率。

4 結論

本文利用電學法測量了大功率激光器巴條的工作溫升，并通過紅外熱成像方法對測量結果進行驗證，結果顯示采用電學法能測量出大功率激光器巴條的工作溫升。同時我們提出了一種利用電學法測量器件結溫獲取大功率激光器巴條的光功率的新方法，并用大功率半導體激光器參數(shù)測試儀對此方法進行了驗證，結果表明該方法可以有效的測量出激光器巴條的光轉換效率。

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